Особенности ГЭС Себестоимость электроэнергии на российских ГЭС более чем в два раза ниже, чем на тепловых электростанциях; Генераторы ГЭС можно достаточно быстро включать и выключать в зависимости от потребления энергии; Используется возобновляемый источник энергии; Значительно меньшее воздействие на воздушную среду, чем другими видами электростанций. Строительство ГЭС обычно более капиталоёмкое; Часто эффективные ГЭС более удалены от потребителей; Водохранилища часто занимают значительные территории; Плотины зачастую изменяют характер рыбного хозяйства, поскольку перекрывают путь к нерестилищам проходным рыбам, однако часто благоприятствуют увеличению запасов рыбы в самом водохранилище и осуществлению рыбоводства.
Типы ГЭС Гидроэлектрические станции (ГЭС): Плотинные гидроэлектростанции; Русловые гидроэлектростанции; Приплотинные гидроэлектростанции; Деривационные гидроэлектростанции; Гидроаккумулирующие электростанции; Приливные электростанции; Волновые электростанции и на морских течениях.
Русловая гидроэлектростанция (РусГЭС) Русловая гидроэлектростанция (РусГЭС) относится к бесплотинным гидроэлектростанциям, которые размещают на равнинных многоводных реках, в узких сжатых долинах, на горных реках, а также в быстрых течениях морей и океанов.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) Гидроаккумулирующие электростанции используется для выравнивания суточной неоднородности графика электрической нагрузки. В часы малых нагрузок ГАЭС, потребляя электроэнергию, перекачивает воду из низового водоема в верховой, а в часы повышенных нагрузок в энергосистеме использует запасенную воду для выработки пиковой энергии.
Приливная электростанция (ПЭС) Приливные электростанции используют энергию приливов. Приливные электростанции строят на берегах морей, где гравитационные силы Луны и Солнца дважды в сутки изменяют уровень воды. Колебания уровня воды у берега могут достигать 13 метров.
Волновые электростанции Для производства электроэнергии используются две основные характеристики волн: кинетической энергия, и энергии поверхностного качения. Именно эти факторы и пытаются использовать при строительстве волновых электростанций. Схема работы волновых ГЭС
Принцип работы Общий принцип работы: ГЭС преобразуют кинетическую энергию падающей воды в механическую энергию вращения турбины, а турбина приводит во вращение электромашинный генератор тока. Необходимый напор воды образуется посредством строительства плотины, и как следствие концентрации реки в определенном месте, или деривацией естественным током воды. Цепь гидротехнических сооружений обеспечивает необходимый напор воды, поступающей на лопасти гидротурбины, которая приводит в действие генераторы, вырабатывающие электроэнергию. Непосредственно в самом здании гидроэлектростанции располагается все энергетическое оборудование. В зависимости от назначения, оно имеет свое определенное деление. В машинном зале расположены гидроагрегаты (преобразуют энергию тока воды в электрическую энергию). Есть еще всевозможное дополнительное оборудование, устройства управления и контроля за работой ГЭС, трансформаторная станция, распределительные устройства и многое другое.
Мощность ГЭС Гидроэлектрические станции разделяются в зависимости от вырабатываемой мощности: мощные вырабатывают от 25 МВТ до 250 МВт и выше; средние до 25 МВт; малые гидроэлектростанции до 5 МВт. Мощность ГЭС напрямую зависит от напора воды, а также от КПД используемого генератора. Из-за того, что по природным законам уровень воды постоянно меняется, в зависимости от сезона, а также еще по ряду причин, в качестве выражения мощности гидроэлектрической станции принято брать цикличную мощность. К примеру, различают годичный, месячный, недельный или суточный циклы работы гидроэлектростанции. Гидроэлектростанции также делятся в зависимости от максимального использования напора воды: высоконапорные более 60 м; средненапорные от 25 м; низконапорные от 3 до 25 м.
Типы турбин В зависимости от напора воды, в гидроэлектростанциях применяются различные виды турбин: Для высоконапорных ковшовые и радиально осевые турбины с металлическими спиральными камерами.На средненапорных ГЭС устанавливаются поворотно-лопастные и радиально-осевые турбины, на низконапорных поворотно-лопастные турбины в железобетонных камерах. Принцип работы всех видов турбин схож. Турбины различаются некоторыми техническими характеристиками, а также камерами железными или железобетонными, и рассчитаны на различный напор воды.
Наименование Мощность, Вт Среднегодовая выработка,млрд к Вт·ч Собственник География Саяно-Шушенская ГЭС 0,00 (6,40)23,50ОАО Рус Гидрор. Енисей, г. Саяногорск Красноярская ГЭС6,0020,40ОАО «Красноярская ГЭС»р. Енисей, г. Дивногорск Братская ГЭС4,5222,60ОАО Иркутскэнерго, РФФИр. Ангара, г. Братск Усть-Илимская ГЭС3,8421,70ОАО Иркутскэнерго,РФФИр. Ангара, г. Усть- Илимск Богучанская ГЭС3,0017,60ОАО «Богучанская ГЭС», ОАО Рус Гидро р. Ангара, г. Кодинск Волжская ГЭС2,5512,30ОАО Рус Гидрор. Волга, г. Волжский Жигулёвская ГЭС2,3210,50ОАО Рус Гидрор. Волга, г. Жигулевск Бурейская ГЭС2,017,10ОАО Рус Гидрор. Бурея, пос. Талакан Чебоксарская ГЭС1,403,31ОАО Рус Гидрор. Волга, г. Новочебоксарск Саратовская ГЭС1,275,35ОАО Рус Гидрор. Волга, г. Балаково Всего на территории России работает 102 гидроэлектростанции мощностью свыше 100 МВт.
Крупные аварии на ГЭС 9 октября 1963 года одна из крупнейших гидротехнических аварий на плотине Вайонт в северной Италии. 12 сентября 2007 года на Новосибирской ГЭС произошел крупный пожар на одном из трансформаторов по причине замыкания и вследствие этого возгорания битума и обшивки трансформатора. 3 августа 2009 года возгорание на трансформаторе напряжения открытого распределительного устройства 200 кВ Бурейской ГЭС. 16 августа 2009 года пожар в мини-АТС Братской ГЭС, выход из строя аппаратуры связи и телеметрии ГЭС (Братская ГЭС входит в тройку крупнейших ГЭС России). 17 августа 2009 года крупная авария на Саяно-Шушенской ГЭС (Саяно-Шушенская ГЭС самая мощная электростанция России).
Электростанция, которая преобразовывает энергию воды в электроэнергию, называется гидроэлектростанцией.
Гидроэлектростанции разделяют на следующие типы:
плотинные, деривационные, аккумулирующие, волновые, приливные
Чаще всего в мире встречаются плотинные электростанции.
Основными элементами плотинной электростанции являются:
1. Дамба
2. Водохранилище
3. Задвижка
4. Напорный трубопровод
5. Генератор
6. Турбина
7. Линии электропередач
Принцип работы такой электростанции в следующем: дамба на реке приводит к возникновению небольшого водоема, выше уровня машинного зала. После открытия задвижки, вода под большим напором поступает на турбину, приводя её в движение. Турбина связана с электрогенератором, который вырабатывает электроэнергию. Электроэнергия передается потребителям по линии электропередач.
На фото изображена Саяно-Шушенская ГЭС, расположенная на реке Енисей в России
С самыми большими плотинными ГЭС можно ознакомится .
Деривационные электростанции используются в случаях, когда имеется большой перепад реки.
Основными элементами деривационной электростанции являются:
1. Водозаборное сооружение
2. Водонапорный трубопровод
3. Турбина
4. Генератор
5. Приемная плотина
6. Линии электропередач
На фото показана схема Эзминской ГЭС
Принцип работы электростанции в следующем: часть водного потока реки с помощью водозаборных сооружений попадает в водонапорный трубопровод. Поток воды приводит в движение турбину и электрогенератор.
На фото изображена ГЭС на реке Баксан в Кабардино-Балкарии
Встречаются ГЭС смешанного типа. В этом случае в месте водозабора строится небольшая плотина, для создания напора воды в трубопроводе.
Аккумулирующие электростанции используются для запаса электроэнергии, путем конвертации её в энергию воды. Такие электростанции помогают энергосистеме выдержать пиковые нагрузки. Кроме того, они обеспечивают бесперебойность энергоснабжения потребителей при использовании ветряков и солнечных панелей.
Основными элементами аккумулирующей электростанции являются:
1. Первое водохранилище
2. Второе водохранилище
3. Водонапорный трубопровод
4. Турбина
5. Генератор
6. Линии электропередач
Особенность таких электростанций в том, что их гидроагрегаты рассчитаны на работу в генераторном и насосном режиме.
Принцип работы ГАЭС в следующем: Во время пиковых нагрузок, вода через напорный трубопровод сбрасывается из верхнего водохранилища в нижнее. Приводя в движение турбину и генератор. При отсутствии пиковых нагрузок, вода таким же образом закачивается из нижнего водохранилища в верхнее.
На фото показано водохранилище электростанции Таум Сок в США
Волновые гидроэлектростанции
используются для получения электроэнергии из морских волн. Существует множество конструкций таких электростанций, с основными из которых можно ознакомиться .
На фото изображена электростанция типа "Дракон"
Принцип работы данной электростанции в следующем: в результате волн, вода попадает в резервуар, находящийся выше уровня моря. Под действием силы тяжести вода стремится попасть обратно в океан, вращая при этом турбину генератора.
Перспектива дефицита и дороговизна минеральных энергоресурсов заставляют уделять больше внимания возобновляемым источникам энергии. Самым эффективным из них на сегодняшний день является гидроэнергия. Современные ГЭС аккумулируют ее и превращают в электричество, обеспечивая низкую себестоимость киловатта и высокую мощность.
Принцип работы ГЭС – это использование силы падающей воды для вращения вала электрогенератора. Напор воды подается на лопасти турбины, которая раскручивает ротор. Электрический ток от генератора поступает на трансформаторы, выравнивается, передается на распределительные станции и оттуда – по линиям электропередач к конечному потребителю. Выработка энергии напрямую зависит от напора воды в ГЭС, количества и типа установленных турбин.
Естественный перепад высот на реках, который обеспечил бы нужный напор, почти не встречается в природе. Поэтому самой сложной задачей при возведении конструкции является строительство напорных сооружений. В зависимости от их типа и классифицируют гидростанции:
ГАЭС строят при необходимости компенсировать резкий рост энергопотребления в пиковые часы. Наличие гидроаккумулятора позволяет достигнуть максимального КПД в отдельные моменты, а когда он не нужен, переключить станцию в режим насоса и накопления воды. При этом она работает от собственного электричества, полученного в режиме генератора.
Особенности возведения и эксплуатации
Выбор определенной модификации ГЭС определяется особенностями местности и расчетной эффективностью речного потока. Общая схема всех видов в обязательном порядке включает сорозаборные решетки на входных отверстиях, центр управления и контроля, площадку для обслуживания электрооборудования и трансформаторы, преобразующие вырабатываемое электричество в 220 V или другой необходимый стандарт напряжения.
Для сооружения генератора ГЭС используют распространенные унифицированные элементы. Все оборудование износостойкое, обладает большим сроком эксплуатации и минимальными требованиями к обслуживанию. Но в целом устройство каждой станции уникально. Конструкцию, привязанную к конкретному географическому району, нельзя повторить, как нельзя найти и две идентичные по условиям бассейна реки.
Разобравшись, как работает гидроэлектростанция, можно сформулировать ее преимущества относительно ТЭС и АЭС:
- вода - возобновляемый и чистый источник энергии;
- высокий КПД;
- отсутствие расходов на топливо;
- снижение затрат на обслуживание и персонал;
- низкий уровень риска аварий.
Причина, по которой выработка электроэнергии ГЭС составляет лишь около 20% от мирового производства электричества, заключается в необратимом влиянии на экосистему по всему руслу реки и ирригацию прилегающих территорий. Размеры всего гидроузла, включая водохранилище, достигают сотен тысяч га. До сих пор не существует надежных методов комплексной оценки масштабов такого влияния.
Технические нюансы
ГЭС выходят на проектную мощность быстрее, чем другие электростанции. Вследствие того, что природный напор воды непостоянен, сооружения без компенсаторных механизмов выдают разную производительность. В качестве основной характеристики для гидроэлектростанций принято брать установленную мощность всех ее генераторов. В зависимости от этого различают:
- установленная мощность свыше 1000 МВт;
- от 100 до 1000 МВт;
- от 10 до 100 МВт;
- до 10 МВт.
По высоте напорного потока ГЭС делятся на:
- высоконапорные - свыше 60 м;
- средненапорные - от 25 м;
- низконапорные - от 3 до 25 м.
От силы потока зависит выбор типа турбины. В высоконапорных ГЭС используют ковшевую, не погружаемую конструкцию. Вода в нее подается сильной струей из сопел и толкает ковши. При более низком напоре применяют радиально-осевые или поворотно-лопастные аппараты. Они полностью погружены в емкость с водой, имеют различный наклон оси, строение и количество лопастей, за счет своей конструкции раскручиваются при потоке небольшой силы. Камеры для турбин производят из стали или железобетона. Здание с электрооборудованием может располагаться непосредственно внутри плотины, рядом с ней или, в случае деривационного типа, далеко от источника воды. В состав сооружений ГЭС включают шлюзы для судов, рыбоходы, водосбросы, ирригационные отводы при условии, что такое дополнение необходимо для поддержания действующей транспортной, сельскохозяйственной или экосистемы в пойме реки.
С давних времен люди пользовались движущей силой воды. Мололи муку на мельницах, колеса которых приводились в движение потоками воды, сплавляли тяжелые стволы деревьев вниз по течению, в общем использовали гидроэнергию для решения самых разных задач, включая промышленные.
Первые ГЭС
В конце 19 века, с началом электрификации городов, гидроэлектростанции начали очень резко завоевывать популярность в мире. В 1878 году в Англии появилась первая в мире гидроэлектростанция, которая питала тогда всего одну дуговую лампу в картинной галерее изобретателя Уильяма Армстронга… А к 1889 году только в Соединенных Штатах гидроэлектростанций насчитывалось уже 200 штук.
Одним из важнейших шагов в освоении гидроэнергетики стало сооружение в 1930-е годы в США Плотины Гувера. Что касается России, то здесь уже в 1892 году, в Рудном Алтае на реке Березовка, была построена первая четырехтурбинная гидроэлектростанция мощностью 200 кВт, призванная обеспечить электричеством шахтный водоотлив Зыряновского рудника. Так, с освоением человечеством электричества, гидроэлектростанции ознаменовали собой стремительный ход промышленного прогресса.
Сегодня современные гидроэлектростанции - это огромные сооружения на гигаватты установленной мощности. Однако принцип работы любой ГЭС остается в целом достаточно простым, и везде почти полностью одинаковым. Напор воды, направленный на лопасти гидротурбины, приводит ее во вращение, а гидротурбина в свою очередь, будучи соединена с генератором, вращает генератор. Генератор вырабатывает электроэнергию, которая и .
В машинном зале гидроэлектростанции установлены гидроагрегаты, которые преобразуют энергию потока воды в энергию электрическую, а непосредственно в здании гидроэлектростанции располагаются все необходимые распределительные устройства, а также устройства управления и контроля работы ГЭС.
Мощность гидроэлектростанции зависит от количества и от напора воды, проходящей через турбины. Непосредственно напор получается благодаря направленному движению потока воды. Это может быть вода накопленная у плотины, когда в определенном месте на реке строится плотина, или же напор получается благодаря деривации потока, - это когда вода отводится от русла по специальному туннелю или каналу. Так, гидроэлектростанции бывают плотинными, деривационными и плотинно-деривационными.
Наиболее распространенные плотинные ГЭС имеют в своей основе плотину, перегораживающую русло реки. За плотиной вода поднимается, накапливается, создавая своего рода водяной столб, обеспечивающий давление и напор. Чем выше плотина - тем сильнее напор. Самая высокая в мире плотина имеет высоту 305 метров, это плотина на Цзиньпинской ГЭС мощностью 3,6 ГВт, что на реке Ялунцзян в западной части провинции Сычуань на Юго-Западне Китая.
Гидростанции, использующие энергию воды, бывают двух типов. Если река имеет небольшое падение, но относительно многоводна, то при помощи плотины, перегораживающей реку, создают достаточную разность уровней воды.
Над плотиной образуется водохранилище, обеспечивающее равномерную работу станции в течение года. У берега ниже плотины, в непосредственной близости к ней устанавливается водяная турбина, соединенная с электрическим генератором (приплотинная станция). Если река судоходна, то у противоположного берега делается шлюз для пропуска судов.
Если же река не очень многоводна, но имеет большое падение и бурное течение (например, горные реки), то часть воды отводится по специальному каналу, имеющему гораздо меньший уклон, чем река. Канал этот иногда имеет протяженность в несколько километров. Иногда условия местности вынуждают заменить канал тоннелем (для мощных станций). Таким образом создается значительная разность уровней между выходным отверстием канала и нижним течением реки.
У конца канала вода поступает в трубу с крутым наклоном, у нижнего конца которой располагается гидротурбина с генератором. Благодаря значительной разности уровней вода приобретает большую кинетическую энергию, достаточную для питания станции (деривационные станции).
Подобные станции могут иметь большую мощность и относиться к разряду районных электростанций (смотрите - ). На самых малых станциях турбина иногда заменяется менее эффективным, по более дешевым водяным колесом.
Виды ГЭС и их устройства
Кроме плотины гидроэлектростанция включает в себя здание и распределительное устройство. Основное оборудование ГЭС находится в здании, здесь установлены турбины и генераторы. Кроме плотины и здания, в ГЭС могут наличествовать шлюзы, водосбросные устройства, рыбоходы и судоподъемники.
Каждая ГЭС представляет собой уникальное сооружение, поэтому главная отличительная черта ГЭС от других типов промышленных электростанций - это их индивидуальность. Кстати, самое большое в мире водохранилище находится в Гане, это водохранилище Акосомбо на реке Вольта. Оно занимает 8500 квадратных километров, что составляет 3,6% площади всей страны.
Если по ходу русла реки имеется значительный уклон, то возводят деривационную ГЭС. Здесь нет необходимости в строительстве большого плотинного водохранилища, вместо этого вода только направляется через специально возводимые водоводные каналы или тоннели прямо к зданию электростанции.
Иногда на деривационных ГЭС устраивают небольшие бассейны суточного регулирования, позволяющие управлять напором, и таким образом влиять на количество вырабатываемой электроэнергии в зависимости от загруженности электросети.
Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС) - особый вид гидроэлектростанций. Здесь сама станция предназначена для того, чтобы сгладить суточные перепады и пиковые нагрузки на , и тем самым повысить надежность работы электросети.
Такая станция способна работать как в генераторном режиме, так и в накопительном, когда насосы закачивают воду в верхний бьеф из нижнего бьефа. Бьефом, в данном контексте, называется объект типа бассейна, являющийся частью водохранилища, и примыкающий к гидроэлектростанции. Верхний бьеф располагается по течению выше, нижний - ниже по течению.
Примером ГАЭС может служить водохранилище Таум Саук в Миссури, возведенное в 80 километрах от Миссисипи, вместимостью 5,55 млрд. литров, позволяющее энергосистеме обеспечить пиковую мощность в 440 МВт.